往复活塞式压缩机结构及力学分析

1、1 往复活塞式压缩机结构及力学分析1.1 往复活塞式压缩机活塞杆与十字头组件1.1.1 活塞杆与十字头组件的组成1.1.2 活塞杆与压缩机装配后的垂直跳动量限制与分析1.1.3 活塞杆结构设计1.1.4 活塞杆与十字头连接方式1.1.5 十字头体、滑履、十字头销1.2 活塞组件1.2.1 活塞结构1.2.2 柱塞结构1.2.3 毂部设计及与活塞杆的连接方式1.2.4 活塞的材料及其质量支承面1.2.5 双作用活塞主要尺寸确定和强度计算1.2.6 活塞组件失效与修理1.3 往复活塞式压缩机活塞杆所受综合活塞力的计算1.3.1 往复压缩机的气体力1.3.2 往复压缩机的惯性力1.3.3 相对运动表

2、面间的摩擦力1.3.4 活塞杆所受综合活塞力1.4 往复活塞式压缩机活塞杆强度校核1 往复活塞式压缩机结构及力学分析1.1 往复活塞式压缩机活塞杆与十字头组件1.1.1 活塞杆与十字头组件的组成该组件包括活塞杆、十字头及十字头销三个主要零件，此外还有相应的一些联结零件。它们处于气缸与机身之间，其一端连接活塞，另一端连接连杆，而十字头滑履又支承在机身滑道上，故处于极为重要的部位。在压缩机的运行中，该处极易发生事故，并造成重大的破坏，例如连杆小头衬套烧损、活塞杆断裂等。此外，活塞环、填料非正常失效，往往是活塞杆倾斜引起的。并且，十字头滑履与滑道之间的间隙还是检验其机身与曲轴、连杆等运动部件总体精度

3、的重要指标，新压缩机的十字头滑履与滑道的间隙应控制在，其中D为十字头直径。1.1.2 活塞杆与压缩机装配后的垂直跳动量限制与分析活塞杆在压缩机运行过程中能否平直运动十分重要。API618中，对活塞杆的径向跳动的公差作了规定，即水平径向跳动量为，其垂直径向跳动为在活塞杆热态预期径向跳动的基础上每1mm行程不大于（S为活塞行程）。另有资料指出：活塞杆水平跳动时，如安装合适则一般无需调整，其跳动量一般不会超过0.08mm。冷态垂直跳动许用值见表2-1.表2-1活塞杆冷态垂直跳动量许用值Table.2-1 The piston rod cold vertical jump allowable valu

4、e气缸直径/mm冷态跳动量/mm1202000.0000.0502402900.0120.0633303800.0380.0884455200.0630.1395856750.1000.165活塞杆倾斜或下沉原因：a) 气缸与活塞之间的间隙及十字头与滑道间隙冷态时不等，故使装配后活塞杆呈倾斜状态，如图2-1所示。一些压缩机制造者称：新压缩机空负荷运行45min后停机测量，活塞杆在一个行程内的跳动量为零。压缩机长期运行后，活塞与气缸的通常均大于十字头与滑道的磨损。在有油润滑时后者润滑丰富，前者则相对较差；在气缸无油润滑时，具有自润滑性能热塑性材料承压面的磨损，更要大于十字头与滑道的磨损，故活塞杆

5、会形成倾斜。工业上重要的压缩机，在填料压盖处应设位移传感器，在超出一定值时便要报警，然后调整活塞杆或更换支撑环。图2-1 由十字头与十字头滑道及气缸与活塞间隙形成的倾斜b) 活塞杆自身质量形成的挠度，如图2-2所示。在大型压缩机中，尤其是具有两个隔腔的无油润滑压缩机，沉降量应进行认真计算与测量。挠度可按均布质量载荷q简支梁计算，下沉挠度曲线方程为最大挠度，活塞外端面转角，其中式中：为活塞杆径；为十字头端面至活塞轴侧端面的距离；为材料密度；为材料弹性模量；为活塞杆截面二次矩，。图2-2活塞杆自身质量形成的挠度1.1.3 活塞杆结构设计活塞杆本身就是一直杆，按其与活塞及十字头的连接方式，结构可分为

6、两类：活塞杆两端具有螺纹，通过螺母与活塞及十字头紧固；活塞杆两端均为凸缘，通过压板和螺钉与活塞或十字头相紧固。活塞杆的结构设计直接影响到活塞杆的静强度和疲劳强度，最大承受拉力，活塞杆刚度等。在活塞杆断裂事故中有一部分事故的主要原因就是因为不合理的活塞杆结构设计所导致的。设计与制造精良、安装与运行操作正确时，两种结构都是安全可靠的。有些设计中把凸缘改为法兰，或一端为螺纹另一端为凸缘，设计者可统筹考虑。当气缸为无油润滑时，填料为自润滑材料。为防止该处因摩擦而产生的热量导致温度达自润滑材料玻璃化（软化）温度，并导致密封原件产生“冷流”，活塞杆与填料接触长度范围内应进行冷却。冷却液为曲轴箱中润滑油，由

7、润滑系统供油经十字头体再由接管或钻孔导入活塞杆内。活塞杆内钻孔中插有一根油导向管，令油先沿杆内壁流动导走活塞杆上的热量，再由导向管内流出活塞杆并回到曲轴箱。自润滑填料的隔距环也应进行冷却，冷却介质一般为水。当高压级活塞杆直径小于3d时（d为活塞杆直径），还可将活塞与活塞杆制成一体。活塞杆的材料、性能、热处理方法及填料接触的表面硬度，见表2-2。表2-2活塞杆常用材料性能和处理方法Table.1-1 The piston rods material properties and the processing method材料抗疲劳强度-1/MPa屈服强度s/MPa热处理方法同填料接触部分表面硬度

8、应用场合35钢180320表面淬火3845HRC压缩空气或无腐蚀性气体45钢210360表面淬火4856HRC压缩空气或无腐蚀性气体40Cr340700表面淬火4752HRC压缩空气或无腐蚀性气体，有较高的强度和疲劳强度38CrMoAlA430850氮化8001000HV有较高的硬度、耐磨性、疲劳强度和较高的耐腐蚀性能3Cr13270650表面淬火2329HRC压缩腐蚀性气体活塞杆长度由机器总体设计时，按照级的配置、有无中体分隔室、活塞连接方式等确定。活塞杆直径主要按压折确定。可按最大气体力与行程初选活塞杆直径，并按密封填料的内孔尺寸标准圆整。对于非贯穿活塞杆，按不同的压折校核安全系数。当柔度

9、100时，许用值。式中i为惯性半径， ;I 为杆的截面二次矩，cm4；A为截面积，cm2；ns为安全系数，应按欧拉公式验算，即活塞杆与填料接触的部位应有很高的耐磨性，故需进行表面处理。值得指出的是，采用表面等离子喷涂陶瓷（TiO2-Al2O3等）方法，能大大改善表面性能，其硬度可，不仅耐磨与抗氧化，还耐酸、碱介质腐蚀，其涂层结构强度高，涂层可达0.60mm。此种涂层还可以用于磨损活塞杆的修复。用于气缸有油润滑的压缩机特别适合。1.1.4 活塞杆与十字头连接方式对连接的要求：制造、装拆方便；通过活塞杆调节活塞与气缸间隙方便。（1） 传统的连接方式表2-3传统的活塞杆与十字头连接特点Table.2

10、-3 Traditional piston rod and cross connection characteristics方案特点余隙调节方法应用范围1活塞杆螺纹与十字头体直接连接，由活塞杆上自设法兰锁紧法兰与十字头体间加垫片小型压缩机；调节余隙时需转动2活塞杆螺纹与十字头体直接连接，由螺母锁紧旋转活塞杆，移动活塞中、小型压缩机；活塞在调整余隙时需转动3螺纹杆螺纹通过法兰盘由四颗螺柱与十字头体联接调整活塞杆顶部垫片厚度中、大型压缩机；四颗螺柱使十字头体结合部成方形，重量尺寸增加4活塞杆上设凸缘，通过分成两半的圆盘，再由法兰盘箍住两半圆盘并由四颗螺柱紧固在十字头体上调整活塞杆顶部垫片厚度中、大

11、型压缩机；四颗螺柱使十字头体结合部成方形，重量尺寸增加5活塞杆上设有螺纹，由两个螺母将其夹持在十字头体上，螺母外均有小齿供最后定位，带小杆的螺钉用于防止活塞杆转动同时转动两螺母便可使活塞杆前后移动；十字头体内的螺母由其上两边开的小长孔中插入两小棒来转动，最后紧固活塞杆由外边的螺母拧紧中型压缩机6活塞杆上设螺纹，并由一带法兰边的螺母，十字头体也有一带相同法兰边的孔，活塞杆插入后用一部分的卡箍卡住，最后将螺母反向拧紧，螺母上设小齿供防松用，活塞杆与十字头体用健定位调整活塞杆顶部垫片厚度大型压缩机1.1.5 十字头体、滑履、十字头销十字头体一般分为四种形式：铸铁整体十字头；整体铸钢滑履铸有巴氏合金；

12、分体与滑履圆弧结合面；分体与滑履平面结合。中、大型压缩机十字头体都用铸钢，中型压缩机偶尔也用球墨铸铁。大型压缩机的滑履均为一个单独的零件，其承压面铸有巴氏合金且表面开有两头不贯通的纵、横油槽。滑履与十字头的结合面过去采用平面，因加工麻烦而淘汰。现在均采用圆弧面，由螺栓紧固，其间可衬以铝或铜垫片，以调整滑道与十字头的间隙，或调整活塞杆中心与十字头的高度。20世纪中叶大型压缩机十字头销都采用锥面与十字头体配合，两端采用压板压紧。实践证明，这种配合在交变的往复载荷力作用下，沿锥面的分力会对压板螺钉产生不断的冲击，致使其疲劳断裂。最终，十字头销将在这种分力作用下击破侧窗盖板，从而弹出机身，造成压缩机事

13、故，甚至威胁到人身安全，因此该配合方式已逐渐被淘汰了。当今压缩机十字头销均为直销，中空作为润滑油通道。其在销座中的配合为间隙配合，机器运行后因销的温度高于十字头体而胀合在销座中。两座孔中的轴向定位可用压板或挡圈。另一种设计思路为在十字头体上的销座孔中设有铜套，允许十字头销在其中产生一定的转动，这样的结构可防止当连杆小头衬套与十字头销产生咬合时，可由此来补偿，有效的预防事故的发生。1.2 活塞组件活塞组件主要包括活塞、支撑或导向环或托瓦，以及与活塞杆连接结构等。1.2.1 活塞结构活塞是与气缸相配合的零件，因此也分为双作用式、极差式、单作用式（柱状活塞与柱塞）。每一种活塞由于取材、工艺等因素又有

14、了诸多的结构。（1） 双作用式活塞双作用活塞随着制造与应用的发展，形成了整体结构及组合结构两种。整体结构活塞为一种最原始的铸造结构。其两端面间有筋条支撑，中心有毂部。为烧铸时放置泥芯，其中一个端面设有泥芯头孔（同时也是清理泥芯沙孔）。泥芯孔在活塞按尺寸加工好后再加工管牙螺纹，最后用丝堵拧入密封，且丝堵尾部被车削成与活塞端面同一平面。其中一个丝堵上设有供活塞水压试验的螺孔（水压试验完成后将其堵塞）。此外当活塞尺寸大时，丝堵上设有供吊装活塞用螺孔。活塞端面间筋条不宜与活塞外缘及毂部完全相连，以免筋条被铸造收缩或铸造应力拉断，同时也为避免活塞外缘加工好后因铸造内应力消除不彻底而运行后变形失去圆整性。

15、该种整体结构的缺点是，铸造工艺复杂，落泥芯不慎会造成偏心而导致铸件报废；泥芯孔堵头会因运行中的热胀冷缩而脱落，若运行中掉入气缸将导致气缸及活塞损坏；大直径铸铁活塞质量过大，采用铸铝可减轻约1/2质量，但铝的价格比铸铁高。钢板焊接活塞，它由四部分焊接而成，即圆环形活塞体、两圆环形端板、若干筋条、毂部，此外还有铸上的软金属托瓦。焊接活塞的主要优点是减轻活塞的质量，仅为铸铁活塞的60%70%；缺点是焊接工艺要求很高，由于焊接的残余应力使活塞在运行中被活塞杆捅破的情况，国内、外时有发生。除此之外还有没有毂部的活塞，是铸铁铸造结构，设有端面间筋条以增加两面强度，但因无毂部故不需要落泥芯头的专门开孔。一般

16、为直径较小的中压级活塞。适用于中、高压级的活塞一般为锻钢或铸钢，中心圆孔是切割而成。组合活塞已成为现代往复式压缩机中一种倾向性结构。它通常由两块活塞端面与中间圆环组成。两端面可由铸铝或铸铁制成；中间圆环为铸铁或钢及不锈钢，因为其上设有活塞环，要求环槽、环岸有较高的强度和耐磨性。（2） 级差式活塞现代压缩机中极差式结构的活塞与气缸绝大多数仅两级组合在一起，分为倒级差结构与正级差结构：倒级差，即低压活塞置于盖端，高压活塞置于轴端，并且大多为相邻级的组合；正级差，即低压活塞在轴端，高压活塞在盖端，可为相邻级组合也可不相邻及组合。倒级差活塞结构设计中，传递活塞力的部分设在活塞中部，其横壁的毂部为活塞杆

17、头部法兰与螺母所夹持。这样，当温度改变时，各部分可自由胀缩。活塞顶部有一较大圆孔，允许活塞杆从此孔插入，此孔最后由盖板密封。级差活塞直径最大的一级称为基本部分。基本部分一般都要承受活塞的重量，故其上有承压面。两高压相邻级组合的活塞，轴端高压级活塞可用填料密封，也可用活塞环密封，并再设一平衡腔用填料密封。前者气缸活塞结构简单，但需高压填料；后者气缸活塞结构复杂，但低压填料密封即可。正级差活塞高、低压级组合及自动调心结构，当级差活塞头部为高压级时，为了避免几级串在一起同心度和垂直度不易保证，以及经过长时间运转后，基本部分因磨损而下沉，整个级差活塞的重量可能会由高压级的小活塞，由此使高压级气缸及活塞

18、急剧磨损。在考虑活塞与气缸间的间隙时，高压级小活塞与气缸之间的间隙，应大于基本部分与气缸间的间隙值，或者采用自动调心结构。自动调心结构既应满足两气缸轴线不同心，又应满足有偏转角度。此外，还有高压级活塞相对低压级活塞无任何连接的全浮动结构，是依靠气体压力压紧在低压级活塞上，活塞与气缸的对中问题可自动解决。在稳定工况下，两活塞不会发生分离，也不会发生碰撞现象；在启动过程中，压力尚未建立时，全浮动的活塞由于惯性力和摩擦力等的共同作用，将与低压级活塞发生分离，与气缸盖和低压级活塞发生碰撞，产生较大的撞击应力，并有可能使材料破坏。因此，采用这种结构需要精心设计。在微型高压压缩机中的高压级，当活塞直径小于

19、20mm时，既无法用活塞环，又不允许放大间隙，因此可考虑用全浮动结构的柱塞。1.2.2 柱塞结构在高压级和超高压级中，难以避免活塞环的严重磨损。特别是当活塞直径20mm，采用活塞环密封在制造商也很困难，故采用不带活塞环的柱塞结构。柱塞的密封方式有两种：（1） 靠柱塞和气缸之间的微小间隙（在冷状态下，相当于两级精度间隙配合），并充分注入润滑油进行密封。另外，柱塞上也可设若干环形槽，使得润滑油均布，并起到阻塞液体的作用，主要用于直径小的柱塞。（2） 气体的密封靠填料函来实现，填料函布置在气缸座上。当压力大于35MPa时，需注入大量压力油，实际上填料密封的是油而不是气体，用压力油来达到密封的目的。柱塞工作表面需精磨，圆柱度要求很严，其偏差应小于柱塞与气缸之间的间隙。柱塞的连接应有自动补偿的功能，确保其与气缸的对中要求。1.2.3 毂部设计及与活塞杆的连接方式活塞毂部是用于连接活塞杆的部位。活塞与活塞杆连接通常采用以下方式：（1） 依靠活塞杆上的圆形平台凸肩及螺母紧固活塞，这是应用最普遍的结构型式。为了防止